Биологический каталог




Основы биохимии. Том 3

Автор А.Уайт, Ф.Хендлер, Э.Смит, Р.Хилл, И.Леман

металлов) представляет собой плоскую молекулу квадратной формы. Фер-рипротопорфирин, или гемин, который содержит Fe3+, имеет суммарный положительный заряд и присоединяет дополнительный лиганд. Его обычно получают в форме хлорида. Пятикоординацион-ный комплекс, образуемый Fe3+, имеет в основном форму пирамиды с квадратным основанием; связь с дополнительным лигандом направлена перпендикулярно плоскости порфирина. Анионы хлора или других галогенов связываются с Fe не электростатически, а координационной связью. Свободный гем неустойчив и быстро окисляется до гемина. Кристаллический гемин легко получается при нагревании раствора гемоглобина в уксусной кислоте в присутствии небольшого количества NaCl. Эта процедура используется в судебной медицине для обнаружения крови.

31.2.2. Различные формы гемоглобина

Гемоглобин, не связанный с кислородом и содержащий гем с ферро-ионом (Fe2+), называют дезоксигемоглобином, феррогемо-глобином или восстановленным гемоглобином и сокращенно обозначают НЬ. Атомы железа каждой из гем-групп молекулы гемо-

НС

сн

НООС-СН2-СН2 CHj ферропротопорфирин (гем)

31. ГЕМОГЛОБИН И ХИМИЯ ДЫХАНИЯ

1225

глобина могут обратимо связывать молекулу 02. Полностью оксигенированный НЬ, называемый оксигемоглобином (НЬ02), содержит четыре молекулы кислорода (02) на молекулу гемоглобина. НЬ может также соединяться с четырьмя молекулами СО (разд. 31.6.3) с образованием СО-гемоглобина, или карбоксигемо-глобина (НЬСО), который является фоточувствительным и диссоциирует на свету с выделением СО. К молекуле гемоглобина могут присоединиться также четыре молекулы N0 с образованием очень стабильного НЫМО. Многие реагенты, а именно пероксиды, фер-рицианид и хиноны могут окислить Fe2+ в гемоглобине до Fe3+ с образованием метгемоглобина (МеШЬ), котррый 'не присоединяет ни 02, ни CO. MetHb может быть восстановлен до НЬ таким восстановителем, как гидросульфит натрия (Na2S204). Он образуется in vivo в норме, но в небольших количествах и ферментативным путем восстанавливается до НЬ (гл. 32). Fe3+ в MetHb может взаимодействовать со многими анионами, например при щелочном рН с ОН- и при кислом рН с Cl~. MetHb взаимодействует с CN~, образуя цианметгемоглобин (разд. 31.6.3), а также взаимодействует с азидом и сульфидом, образуя соответствующие производные.

31.2.3. Структура глобина

Гемоглобин диссоциирует на гем и глобин в кислой или щелочной среде. Так, если раствор НЬ добавить к смеси ацетон — НС1, то глобин осаждается, а гем остается в растворе.

гемоглобин -J- HCI -*- глобин ¦ НС I-f-ферропротопорфирин

Если принять меры предосторожности и предотвратить окисление тиоловых групп в глобине, то, осуществляя диссоциацию НЬ в условиях низкой температуры и в отсутствие окисляющих агентов, полученный глобин можно рекомбинировать при рН 7 либо с фер-ро-, либо с феррипротопорфирином с образованием нативного НЬ или MetHb соответственно.

Гемоглобин взрослого человека (НЬА) состоит из двух пар неидентичных а- и ?-цепей, и его субъединичная структура обозначается ???^. Как видно на рис. 31.1 (и рис. 4.2), цепи соединены нековалентно, образуя глобулярную, нативную молекулу; с каждой цепью связана одна гем-группа. Последовательность аминокислот а- и ?-цепей приведена на рис. 31.2. Хотя цепи имеют различное число аминокислотных остатков, отмечается значительная гомология последовательности; в 80 положениях имеются замены аминокислот. Гомология оказывается достаточной, чтобы конформация а- и ?-цепей в нативном НЬ и НЬ02 была сходной; конформация цепи (субъединицы) схематически изображена на рис. 31.3. Каждая субъединица имеет восемь спирализованных сегментов, обозначенных буквами от А до Н; остатки, расположенные

1226

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

31. ГЕМОГЛОБИН И ХИМИЯ ДЫХАНИЯ

1227

между спиралями и соединяющие два сегмента спирали, обозначаются CD, EF и т. д. У ?-цепей в отличие от ?-цепей имеются два дополнительных аминокислотных остатка в зоне угла АВ и отсутствуют шесть остатков в зоне CD.

Примечательной является локализация гема в своеобразной щели, так называемом гемовом кармане, как это видно на рис. 31.3. Неполярные винильные группы гема погружены во внутреннюю гидрофобную часть кармана, а гидрофильные пропионатные боковые цепи выступают из кармана в направлении поверхности. Большое число алифатических и ароматических R-групп выстилают карман и осуществляют гидрофобные контакты с пиррольными кольцами гема. Связь гема с глобином осуществляется также координационной связью между атомом железа и атомом азота ??5?92(?8) или Hisa87(F8)—так называемых проксимальных гистидиновых остатков. Другой остаток гистидина, локализованный в кармане, дистальный гистидин ?63[?7] или а58[Е7], находится с другой стороны от атома железа гема, и один из его атомов азота направлен в сторону атома железа, хотя он и находится несколько дальше, чем азот имидазольной группы проксимальных остатков гистидина. В MetHb между железом гема и дистальным гистиди-ном находится молекула воды, но в НЬ соответствующая область свободна, и липофильная молекула 02 может диффундировать в эту область и связываться с железом, что приводит к образованию

ньо2.

Уникальной особенностью гемоглобина является его способность обратимо связывать 02, образуя стабильный комплекс, без окисления гемового Fe2+ в Fe3"1-. Это оказывается возможным, поскольку в гидрофобном гемовом кармане, из которого вытесняется вода, для гема создается среда с низкой диэлектрической постоянной. Реакция 02 со свободным феррогемом, _приводящая к образованию ферригема и супероксидного иона (02),

reM-Fe2+ + 02 <—*¦ reM-Fe2+-¦ 02 <—ь reM-Fe3+ -f

эффективно протекает в растворах с высокой диэлектрической проницаемостью. Однако в среде с низкой диэлектрической проницаемостью разделение зарядов в комплексе reM-Fe2+...02 с образованием reM-Fe3++02 оказывается неблагоприятным и 02

Рис. 31.1. Диаграмма четвертичной структуры НЬ02, показывающая расположение субъединиц. Остатки, участвующие в образовании двух различных областей контакта между субъединицамн ???? (а) и ???2 (б) имеют ту же нумерацию, что и на рис. 31.3. На рис. б истинная ось симметрии показана вертикальной линией, а две псевдооси представлены горизонтальной линией и линией, перпендикулярной плоскости рисунка. [Dickerson R. ?., Geis I., Structure and Action of Proteins, Harper and Row, Publishers, New York, 1969.]

1228

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

связывается обратимо без окисления железа гема. В качестве иллюстрации можно привести реакцию 02 с комплексом фенилэти-лимидазола и диэтилового эфира гема (I).

N.. ^

( ^CH2-CH2-N^N7F«^ + 02

/~VcH2-CH2-N^-)Fe^--02-

j-CH-CH-N^rV^ 4- ??

m

В водной среде реакция протекает быстро с образованием комплекса III и 0~. Если комплекс I находится в тонком слое гидрофобного полистирола, то Оо присоединяется обратимо без окисления и образования комплекса III.

С НЬ очень сходен миоглобин (Mb) мышц позвоночных. В виде оксимиоглобина (МЬ02) он служит резервуаром 02 в покоящихся скелетных мышцах, а при мышечной активности освобождает 02 (разд. 31.6.2). Только около 30 остатков аминокислот миоглобинов гомологичны аминокислотным остаткам а- или ?-цепей гемоглобинов позвоночных, однако третичные структуры миоглобинов и цепей НЬ поразительно сходны; сходными являются также локализация и протяженность спирализованных и неспирализованных участков вторичной структуры (рис. 31.3). Наиболее важным структурным отличием между НЬ и Mb является расположение R-групп на поверхности молекулы. Гемоглобины имеют большое число расположенных на поверхности R-групп, которые обеспечивают комплементарные контакты между субъединицами и ассоциацию цепей с образованием нативной четвертичной структуры ????. Так как на поверхности глобулы Mb отсутствуют R-группы, соответствующие тем, которые осуществляют контакты в а- и ?-цепях, то в разбавленных растворах Mb находится в виде мономера и не может также замещать а- или ?-субъединицу в НЬ.

Комплементарные контакты между субъединицами НЬ02 приведены схематически на рис. 31.1. Контакты образуются преимущественно между а- и ?-цепями, имеется также несколько контактов ?—и и ?—?. Каждая о- и ?-цепь образует контакты с двумя примыкающими неидентичными соседними цепями, т. е. контакты двух типов. Для обозначения различных контактов цепи произ-

31. ГЕМОГЛОБИН И ХИМИЯ ДЫХАНИЯ

1229

Vaf- -Leu-5er-Pro-Ala-Asp-Ly5-Thr-Asn-Val-Lys-Ala-A[a-Trp-G^

10 20

Val-HisLeu-Thr-Pro^lu-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-Leu-Trp-Gly-Lys-Val-Asp- -Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Gly- -Phe- -Glu- -Asp- -Ala-Thr-lle- -Ser- -Glu-Asp-Ala--Thr- -Asn- -Ala-

30 40 50

Glu-AIa-Leu-Glu-Arg-Met-Phe-Leu-Ser-Prie-Pro-Thr-lhr-Lys-Trir-Tyr-Phe-Pro-bis-Phe- -Asp-Leu-Ser-His-

30 40 50

Glu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-Tyr-Pro-Trp-Trir-Glu-Arg-Phe-Phe-Glu-Ser-Phe-Gly-Asp-Leu-Ser-Trir-Pro-Asp--Thr- -Asp- -Ser-Ala-Ser-

-Ser-

60 70

-Gly-Ser-Ala-Clu-Val-Lys-Cly-His-Gly-lys-Lys-Vaf-Ala-Asp-Ala-leu-Thr-Asn-Ala-Val-Ala-His-Val-Asp-

60 70

Ala-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-Lys-Ala-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-Gly-Ala-Phe-Ser-Asp-Gly-Leu-Ala-His-Leu-Asp--Me- · -Thr-Ser-Leu-Gly- -Ala-lle-Lys-

80 SO 100

Asp-Met-Pro-Asp-Ala-Leu-Ser-Aia-Leu-Ser-Asp-Leu-His-Ala-His-Lys-Leu-Arg-Val-Asp-Pro-Val-Asp-Phe-Lys-Leu-Leu-

60 SO 100

Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-Phe-Ala-Thr-LeiJ-Ser-Clu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-His-Val-Asp-Pro-GIu-Asn-Phe-Arg-Leu-Leu* -Glu- -Lys--Ser-Gln-

110 120

Ser-His-Cys-Leu-Leu-Val-Thr-Leu-Ala-Ala-HiVLeu-Pro-Ala-GI^

110 120 130

Gly-Asp-Val-Leu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phe-Gly-Lys-Glu-Phe-Thr-Pro-Pro-Val-Gln-Ala-AIa-Tyr-Cln-Lys-Val--Thr- -lie- -Glu- -Ser-Tyr- -Met-

-Arg-Asn- -Gln-Met-

130 140

Leu-Ala-5cr-VaI-Ser-Thr-Val-Leu-Thr-Ser-Lys-Tyr-Arg

140 146

Val-Ala-Gly-Val-Ala-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-Tyr-His -Thr- -5er- -Ser-Ser-Arg-

Рис. 31.2. Последовательность аминокислот ?-, ?-, ?- и ?-цепей гемоглобина человека. Приведена полная последовательность а- и ?-цепей; у ?- и ?-цепей приведены только те остатки, которые отличаются от соответствующих

страница 15
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161

Скачать книгу "Основы биохимии. Том 3" (10.5Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(17.11.2019)